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CN113809542A - 一种基于扣锁结构的2.5维宽带小型化频率选择表面 - Google Patents

一种基于扣锁结构的2.5维宽带小型化频率选择表面 Download PDF

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CN113809542A CN202111071666.2A CN202111071666A CN113809542A CN 113809542 A CN113809542 A CN 113809542A CN 202111071666 A CN202111071666 A CN 202111071666A CN 113809542 A CN113809542 A CN 113809542A
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何小祥
贾明乾
陈妍
胡恒燕
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    • H01Q15/0006—Devices acting selectively as reflecting surface, as diffracting or as refracting device, e.g. frequency filtering or angular spatial filtering devices
    • H01Q15/0013—Devices acting selectively as reflecting surface, as diffracting or as refracting device, e.g. frequency filtering or angular spatial filtering devices said selective devices working as frequency-selective reflecting surfaces, e.g. FSS, dichroic plates, surfaces being partly transmissive and reflective

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Abstract

本发明公开了一种基于扣锁结构的2.5维宽带小型化频率选择表面，每个频率选择单元包括介质层、第一金属贴片层、第二金属贴片层和金属化过孔；所述第一贴片层包括若干条状贴片和圆环贴片，所述条状贴片沿平行于介质层一边方向设置，且第一贴片层沿平行于所述介质层一边的中垂线对称分布包括第一贴片群、第二贴片群和第三贴片群；第二贴片层与第一贴片层结构相同，且关于介质层的法线方向呈90°旋转对称；由于金属贴片层贴片均平行排列，所述频率选择单元通过简单平移形成交错排布，构成扣锁结构，在实现小型化设计的同时拓展频率选择表面的带宽。

Description

一种基于扣锁结构的2.5维宽带小型化频率选择表面
技术领域
本发明涉及电磁场及微波技术领域，主要涉及一种基于扣锁结构的2.5维宽带小型化频率选择表面。
背景技术
频率选择表面是一种具有滤波特性的电磁周期结构，对具有不同工作频率、极化方式和入射角度的电磁波具有选择特性。
理想的频率选择表面是一种无限周期结构，在实际应用中需要对频率选择表面进行单元小型化设计，使得有限区域内集结足够多的单元数量来保持频率选择表面的特性。此外小型化设计是改善频率选择表面的极化与角度稳定性的有效思路。
2.5维结构通常是在平面周期结构的基础上在介质层中引入金属化过孔，用于频率选择表面单元尺寸的缩减。与通过金属贴片弯折实现单元小型化类似，小型化程度的提升往往造成频率选择表面工作带宽的缩减。目前2.5维结构广泛应用于带阻频率选择表面的小型化设计，着眼于频率选择表面极化与角度稳定性的提升，对如何提升2.5维频率选择表面带宽的研究较少，利用2.5维结构实现宽带小型化频率选择表面设计是一个研究难点。
发明内容
发明目的：针对上述背景技术中存在的问题，本发明提供了一种基于扣锁结构的2.5维宽带小型化频率选择表面，在实现单元小型化的同时，拓展频率选择表面的工作带宽。
技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种基于扣锁结构的2.5维宽带小型化频率选择表面，所述频率选择表面包括若干个交错排布，呈扣锁结构的频率选择单元；所述单个频率选择单元包括介质层和分别设置于介质层相对表面的第一贴片层和第二贴片层；
所述第一贴片层包括若干条状贴片和圆环贴片，条状贴片两端均设有圆环贴片；所述条状贴片沿平行于介质层一边方向设置，且第一贴片层沿平行于所述介质层一边的中垂线对称分布，沿所述中垂线向外分别包括第一贴片群、第二贴片群和第三贴片群；所述第一贴片群包括沿所述中垂线的正交方向对称设置的两条短条状贴片，所述短条状贴片两端外侧分别设有独立圆环贴片；所述第二贴片群包括沿所述中垂线的正交方向对称设置的两条中条状贴片；所述第三贴片群包括一条长条状贴片，中段还设有两个圆环贴片；所述圆环贴片关于介质层的法线方向呈90°旋转对称；
所述第二贴片层与第一贴片层结构相同，且关于介质层的法线方向呈90°旋转对称；
在所述第一贴片层的各圆环贴片处均开有金属化过孔，所述金属化过孔连通介质层两侧的圆环贴片。
进一步地，所述中条状贴片上端点圆环贴片与独立圆环贴片平行设置，长条状贴片中段的圆环贴片到端部圆环贴片的最短距离等于中条状贴片端点到独立圆环贴片垂直距离。
进一步地，所述介质层是边长为p的正方形，所述频率选择单元中介质层表面是边长为p的正方形，单个频率选择单元随机选取一个方向平移p/2，然后选取另一个不同方向平移p/2，即可获得另一个频率选择单元位置，二者形成扣锁结构；依次类推，获取基于扣锁结构的2.5维宽带小型化频率选择表面。
进一步地，所述介质层采用相对介电常数4.3、损耗角正切为0.025的FR4材料。
有益效果：
本发明提供的频率选择表面具有小型化特性，2.5维谐振单元交错排布形成扣锁结构，各个单元与周围的四个单元实现交织，实现平面空间得以充分利用。相较于基本单元未扣锁的情况，在一定区域内，单元数量增加一倍，周期性更容易得到体现。该频率选择表面单元等效尺寸0.033λ×0.033λ，λ为电磁波垂直入射频率选择表面时谐振频率处的波长。
本发明提供的频率选择表面还具有宽带特性，单元交错排布，增强了相邻单元的耦合，极大拓展了频率选择表面的工作带宽。频率选择表面谐振于2.265GHz，在1.255GHz至3.515GHz频带范围内，阻带衰减超过10dB，相对带宽达到94.8％，为增加单元耦合，拓展小型化频率选择表面的工作带宽提供了研究基础。
附图说明
图1是本发明基于扣锁结构的2.5维宽带小型化频率选择单元的三维结构图；
图2a是本发明基于扣锁结构的2.5维宽带小型化频率选择单元第一贴片层的贴片分布图；
图2b是本发明基于扣锁结构的2.5维宽带小型化频率选择单元第二贴片层的贴片分布图；
图3是本发明基于扣锁结构的2.5维宽带小型化频率选择单元排列示意图；
图4是TE极化波入射时，斜入射角度变化下基于扣锁结构的2.5维宽带小型化频率选择表面的传输系数；
图5是TM极化波入射时，斜入射角度变化下基于扣锁结构的2.5维宽带小型化频率选择表面的传输系数。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
本发明提供了一种基于扣锁结构的2.5维宽带小型化频率选择表面，包括M×N个周期排列的频率选择单元，M≥5，N≥5，频率选择表面单元为2.5维结构，相邻单元交错排布形成扣锁结构。其中频率选择单元结构如图1所示。
单个频率选择单元包括介质层和分别设置于介质层相对表面的第一贴片层和第二贴片层。
介质层材料为相对介电常数4.3、损耗角正切为0.025的FR4材料，形状为正方形，边长为p＝6.2mm，厚度为h＝1mm。
第一贴片层结构如图2a所示，包括若干条状贴片和圆环贴片。每条条状贴片两端均设有圆环贴片。所有条状贴片沿平行于介质层边缘方向设置，且第一贴片层沿平行于介质层一边的中垂线对称分布。沿中垂线向外依次包括第一贴片群、第二贴片群和第三贴片群。第一贴片群包括沿中垂线的正交方向对称设置的两条短条状贴片，短条状贴片两端外侧分别设有独立圆环贴片。短条状贴片线宽为w＝0.2mm，其两端圆环中心的距离为l5＝1mm。
第二贴片群包括沿中垂线的正交方向对称设置的两条中条状贴片。中条状贴片线宽为w＝0.2mm，其两端圆环中心的距离为l3＝2mm。
第三贴片群包括一条长条状贴片，中段还设有两个圆环贴片。长条状贴片线宽为w＝0.2mm，其两端圆环中心的距离为l1＝3.6mm，中间一对圆环的中心距离为1.6mm。
图2a中的圆环贴片尺寸均相同，环宽rr＝0.13mm，圆环内径为r＝0.2mm。圆环贴片关于介质层的法线方向呈90°旋转对称。
第二贴片层与第一贴片层结构相同，且关于介质层的法线方向呈90°旋转对称，具体如图2b所示。
在第一贴片层的各圆环贴片处均开有金属化过孔。金属化过孔连通介质层两侧的圆环贴片，且金属化过孔直径为r＝0.2mm，与圆环贴片内径相同。
频率选择表面单元排布示意图如图3所示，由于金属贴片层贴片均平行排列，所述频选基本单元可通过简单平移形成交错排布，构成扣锁结构。基本单元为正方形单元，边长为p＝6.2mm。进行交错排布后，单个频率选择单元随机选取一个方向平移p/2，然后选取另一个不同方向平移p/2，即可获得另一个频率选择单元位置，二者形成扣锁结构，相邻单元中心距离为p/√2。一个基本单元与其周围的四个基本单元交织在一起，交错排布后一个单元的贴片位于其他单元贴片的间隙中，在一定区域内集中了更多的基本谐振单元，极大缩减了单元尺寸。此外，单元交错排布形成的扣锁结构，增强了相邻单元的耦合，极大拓展了频率选择表面的工作带宽。
下面通过仿真实验，对本发明的技术效果作进一步说明：
1、仿真条件和仿真内容：
仿真利用商业软件CST STUDIO SUITE 2016。
仿真1，对本发明实施例中的TE波从入射角0°～30°的传输系数曲线进行仿真，其结果如图4所示。
仿真2，对本发明实施例中的TM波从入射角0°～30°的传输系数曲线进行仿真，其结果如图5所示。
2、仿真结果分析：
如图4和图5所示，分别为TE极化和TM极化电磁波入射角0°～30°频率选择表面的传输系数曲线。可以看出频率选择表面谐振频率为2.265GHz，单元等效尺寸0.033λ×0.033λ，λ为电磁波垂直入射频率选择表面时谐振频率对应的波长。在1.255GHz至3.515GHz频带范围内，阻带衰减超过10dB，-10dB相对带宽达到94.8％。仿真结果表明，该频率选择表面兼具单元小型化和宽带特性。入射角度低于30°时，频率选择表面具有良好的稳定性。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种基于扣锁结构的2.5维宽带小型化频率选择表面，其特征在于，所述频率选择表面包括若干个交错排布，呈扣锁结构的频率选择单元；所述单个频率选择单元包括介质层和分别设置于介质层相对表面的第一贴片层和第二贴片层；
所述第一贴片层包括若干条状贴片和圆环贴片，条状贴片两端均设有圆环贴片；所述条状贴片沿平行于介质层一边方向设置，且第一贴片层沿平行于所述介质层一边的中垂线对称分布，沿所述中垂线向外分别包括第一贴片群、第二贴片群和第三贴片群；所述第一贴片群包括沿所述中垂线的正交方向对称设置的两条短条状贴片，所述短条状贴片两端外侧分别设有独立圆环贴片；所述第二贴片群包括沿所述中垂线的正交方向对称设置的两条中条状贴片；所述第三贴片群包括一条长条状贴片，中段还设有两个圆环贴片；所述圆环贴片关于介质层的法线方向呈90°旋转对称；
所述第二贴片层与第一贴片层结构相同，且关于介质层的法线方向呈90°旋转对称；
在所述第一贴片层的各圆环贴片处均开有金属化过孔，所述金属化过孔连通介质层两侧的圆环贴片。
2.根据权利要求1所述的一种基于扣锁结构的2.5维宽带小型化频率选择表面，其特征在于，所述中条状贴片上端点圆环贴片与独立圆环贴片平行设置，长条状贴片中段的圆环贴片到端部圆环贴片的最短距离等于中条状贴片端点到独立圆环贴片垂直距离。
3.根据权利要求1-2所述的一种基于扣锁结构的2.5维宽带小型化频率选择表面，其特征在于，所述频率选择单元中介质层表面是边长为p的正方形，单个频率选择单元随机选取一个方向平移p/2，然后选取另一个不同方向平移p/2，即可获得另一个频率选择单元位置，二者形成扣锁结构；依次类推，获取基于扣锁结构的2.5维宽带小型化频率选择表面。
4.根据权利要求1所述的一种基于扣锁结构的2.5维宽带小型化频率选择表面，其特征在于，所述介质层采用相对介电常数4.3、损耗角正切为0.025的FR4材料。
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